Warum haben Kabel mehrere Gründe?

Viele Kabel haben mehrere Gründe. Warum?

Zum Beispiel laut Wikipedia :

Der SATA-Standard definiert ein Datenkabel mit sieben Leitern (3 Erdungen und 4 aktive Datenleitungen in zwei Paaren) und 8 mm breiten Waferanschlüssen an jedem Ende.

Warum benötigen Kabel im Allgemeinen (nicht SATA-spezifisch) mehrere Erdungen? Gibt es verschiedene Gründe für mehrere Gründe, wenn Kabel zur Datenübertragung im Vergleich zur Stromversorgung verwendet werden?

Nach dem, was ich gelesen habe, scheint einer der Hauptgründe für mehrere Erdungen die niedrigere Impedanz zu sein ... aber warum ist eine niedrige Impedanz für eine Erdungsleitung so kritisch?

Auf die Impedanz der Datenleitungen kommt es an. Grundsätzlich haben die Leitungen einen geringen Widerstand, dies unterscheidet sich jedoch stark von dem, was wir in dieser Hinsicht als Impedanz bezeichnen.

Grundsätzlich verhalten sich die elektrischen Signale, die über das Kabel übertragen werden, bei hohen Frequenzen, wie sie beispielsweise in SATA und USB 3.0 verwendet werden (und tatsächlich mehr als 100 + MHz), eher wie elektromagnetische Wellen, die vom Kabel (Übertragungsleitung) geleitet werden. . Die parasitäre Kapazität und die Induktivität wirken zusammen, um eine Impedanz für das Signal zu bilden. Aufgrund der Art der Wellen neigen Diskontinuitäten dazu, Reflexionen zu verursachen. Wenn Sie beispielsweise einen Laser in einem Winkel in eine Glasscheibe feuern, können Sie feststellen, dass der Laserstrahl an Punkten reflektiert wurde, an denen sich die Dichte ändert (z. B. von Luft zu Glas) ). Kurz gesagt, dies ist im Grunde das, was mit Hochfrequenzsignalen passiert (wenn Sie darüber nachdenken, ist ein 2,5-GHz-Signal von USB 3.0 im Grunde das gleiche wie das von WiFi verwendete HF-Band).

Wenn ein HF-Signal in einem Kabel entlang läuft und eine Fehlanpassung in der Impedanz der Übertragungsleitung trifft, in der es sich bewegt, wird ein Teil des Signals zur Quelle zurückreflektiert. Dies ist sehr schlecht, da dies zu einem Leistungsverlust (Dämpfung des Signals) führt und Sie aufgrund von Reflexionen, die zurück und an vierter Stelle im Kabel zurückprallen, zu Verzerrungen kommen können. Um sicherzustellen, dass dies nicht geschieht (oder zumindest die Wahrscheinlichkeit verringert), entwerfen wir alle Kabel, Anschlüsse, Treiber und Elektronik in dieser bestimmten Schaltung so, dass sie dieselbe charakteristische Impedanz haben, sodass das Signal vom Treiber zum Empfänger mit übertragen werden kann minimale Reflexion.

Um diese charakteristische Impedanz zu erreichen, benötigen wir zwei Dinge: erstens die Induktivität im Kabel und zweitens die Kapazität zwischen Kabel und Masse. Diese weisen jeweils eine komplexe Impedanz mit entgegengesetzter Polarität auf und bilden so eine echte Impedanz - welcher Wert von der Technologie abhängt, z. B. 100 Ohm Differenzimpedanz ist üblich und 50 Ohm Single-Ended-Impedanz. Als solches benötigen Sie den Draht und die Masse, um diese Impedanz einzustellen. Jetzt können Sie nicht mehr nur ein altes Stück Erdungskabel haben, sondern müssen es so einrichten, dass die elektrischen Felder zwischen den Kabeln und der Erde die richtige Kapazität ergeben. Wenn Sie ein Differenzsignal haben, müssen sowohl die Impedanz jedes Kabels als auch die Differenzimpedanz (zwischen den beiden Signaldrähten) einen bestimmten Wert haben.

In einem PCB-Layout haben Sie verschiedene Technologien, aber die vorherrschende heißt "Microstrip". Grundsätzlich befindet sich zwischen der Masseebene und der Leiterplatte das Leiterplattenmaterial mit dielektrischen Eigenschaften, wodurch die erforderliche Kapazität gebildet wird. Anschließend wählen Sie die Breite der Kurve aus, um die richtige Induktivität für die Erstellung Ihrer charakteristischen Impedanz zu erhalten.

Für Kabel gibt es verschiedene Methoden. Ein Beispiel ist Co-ax, bei dem jeder Signaldraht eine eigene Abschirmung hat, die als Masseebene fungiert. Aufgrund der Symmetrie ist es sehr einfach, die Impedanz des Kabels zu ermitteln und etwas mit den richtigen Abmessungen zu entwerfen. Co-ax ist jedoch sperrig und es ist schwierig, ein sehr kleines Koaxialkabel herzustellen, insbesondere wenn Sie zu Differenzsignalen wechseln (Twinax ist ein Schmerz!). Verwenden Sie stattdessen zwei Kabel (manchmal in einer Twisted-Pair-Anordnung für maximale Kopplung zwischen den Paaren), um Ihr Differenzsignal zu übertragen. Wie bereits in einigen Anwendungen erwähnt, benötigen Sie jedoch mehr, benötigen Sie die charakteristische Impedanz gegenüber der Erde sowie zwischen den Kabeln. Sie müssen also auch eine Grundebene für das Paar routen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun.

In SATA ordnen sie die Erdung speziell so an, dass sie zu beiden Seiten jedes Signalpaars liegen (die mittlere wird gemeinsam genutzt), und durch sorgfältige Planung erreichen sie die charakteristische Impedanz.

Hoffentlich ist das ungefähr verständlich, es ist tatsächlich ein ziemlich komplexes und weites Feld in der Elektrotechnik.

In einer früheren Antwort wird beschrieben, warum Übertragungsleitungseffekte möglicherweise mehrere Erdungsleitungen in einem Kabel erfordern. Selbst bei niedrigeren Frequenzen, bei denen Übertragungsleitungseffekte unbedeutend sind, möchten Sie möglicherweise mehrere Erdungen in ein Schnittstellenkabel einfügen. Die Hauptgründe sind die Minimierung von Interferenzen und Übersprechen.

Die Störung durch Magnetfelder hängt von der Schleifenfläche zwischen dem Signaldraht und dem Erdungskabel ab, in der der Rückstrom fließt. Wenn ein 1 "breites Flachbandkabel eine einzige Erdung aufweist, sind die am weitesten entfernten Signalleitungen mindestens 1/2" und möglicherweise fast 1 "entfernt (was bei digitalen Systemen mit niedriger Geschwindigkeit nicht ungewöhnlich ist). Dies ergibt eine Schleife Bereich von 1/2 "x L, durch den magnetische Streusignale in die Signalleitung eingekoppelt werden können. Durch Platzieren mehrerer Erdungsleitungen können Sie den maximalen Abstand zwischen Signalleitungen und Masse verringern, die Schleifenfläche verringern und so magnetische Interferenzen reduzieren.

In ähnlicher Weise hängt das magnetische Übersprechen zwischen zwei Signalen von der Überlappung in den Schleifen von den Signalen zu den Erdungsleitungen ab. Wenn sich zwei Signaldrähte (z. B.) ein Erdungskabel in einem Flachbandkabel teilen, überlappen sich ihre Schleifen erheblich.

Dies bildet im Wesentlichen einen sehr langen, dünnen Luftkerntransformator, der Signale von einer Leitung in die andere koppelt. Durch Erhöhen der Anzahl der Erdungskabel können Sie den Bereich dieser überlappenden Schleifen minimieren oder sogar beseitigen, wodurch das Übersprechen zwischen Ihren Signalen verringert wird.

Diese beiden Effekte rechtfertigen häufig die Verwendung mehrerer Gründe, selbst wenn die Signalfrequenzen niedrig genug sind, um sich nicht um die in einer anderen Antwort beschriebenen Übertragungsleitungseffekte zu sorgen.

Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen sowie die meisten analogen Leitungen arbeiten normalerweise unterschiedlich , um Interferenzen (sowohl interne als auch externe) zu vermeiden.

Dies bedeutet entweder, dass die Leitung auf Impedanz abgestimmt ist oder dass die Schaltung, für die sie verwendet wird, von Erdstörungen isoliert ist. In der Praxis bedeuten beide weniger Rauschen und Interferenzen.

Siehe zum Beispiel der typischen Ethernet - Kabel (UTP ist am häufigsten) mit vielen Paaren verdrillter Drähte. Verdrillte Drähte bedeuten, dass sie fast immer den gleichen Abstand voneinander haben. Ein anderes Beispiel sind einige VHF / UHF-TV-Antennen, die normalerweise ein Flachkabel mit einem Draht auf jeder Seite haben. Dieses Flachkabel ist so hergestellt, dass der Abstand zwischen den Drähten konstant bleibt. Dies bedeutet eine konstante Impedanz im Draht, was weniger Reflexionen, weniger Änderungen der EM-Wellengeschwindigkeit (und jede Frequenz neigt dazu, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu verzögern, was zu Verzerrungen führt), weniger Glättung des Signals und weniger Interferenzen von externen Quellen (Drähte, die wie Antennen wirken) bedeutet selbst).

Diese sind besonders wichtig für Hochgeschwindigkeits- und analoge Signale, bei denen Informationen mit sehr kleinen Störungen gestört werden können.

Zusätzlich zu den in anderen Antworten erwähnten Faktoren können Flachbandkabel eine signifikante parasitäre Kapazität zwischen benachbarten Drähten aufweisen. Im folgenden Beispiel versuchen die drei Generatoren, Rechteckwellen an den Drähten des Kabels auszugeben (das am Ende eine Erdung aufweist), aber die resultierenden Wellenformen sind so unangenehm, dass ein an NODE2 angeschlossenes Gerät möglicherweise einige störende Übergänge sieht. Wenn das Kabel Erdungen zwischen jedem Draht enthalten hätte, hätte dies möglicherweise die kapazitive Belastung erhöht (wodurch die Wellenformen etwas "abgerundet" würden, aber das kapazitive Übersprechen im Wesentlichen beseitigt hätte.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}